Adaptive techniques for ultrafast laser material processing

Requirements for high accuracy in laser material processing triggered a considerable amount of effort in investigating ultrashort pulse laser effects in structuring materials on micro and nanoscales. Minimal energy diffusion and high nonlinearity of interaction indicate the possibility of confining energy on smallest spatial scales. The potential of inducing fast structural transitions and generating novel material states with upgraded properties and functions makes ultrashort pulses instruments of choice for precision transformation and structuring of materials. The analyses of ablation phases, material transformation mechanisms, and, especially, their characteristic dynamics offer in turn the key to optimizing laser-matter interaction in view of various criteria related to laser processing: efficiency, accuracy, quality. This thesis summarizes previous works of the author on investigating static and dynamic effects of ultrafast laser energy deposition, with application in material processing. The knowledge derived from the dynamic material response indicates energy relaxation times as a guideline for synergetically improving the interaction between radiation and matter. This is achieved by adapting the incoming energy rate to the material reaction time using newly developed techniques of spatio-temporal beam forming. Optimal coupling of energy gives the possibility to guide the material response towards user-designed directions, offering extended flexibility for quality material processing, and, perhaps, the necessary insight into developing “smart” processing technologies.Le besoin d'une très grande précision lors du traitement des matériaux par laser a fortement encouragé le développement des études de l'effet des impulsions ultra brèves pour la structuration des matériaux à une échelle micro et nano métrique. Une diffusion d'énergie minimale et une forte non linéarité de l'interaction permet un important confinement énergétique à des échelles les plus petites possibles. La possibilité d'introduire des changements de phases rapides et même de créer de nouveaux états de matière ayant des propriétés optimisées et des fonctions améliorées donne aux impulsions ultra brèves de sérieux arguments pour être utilisées dans des dispositifs très précis de transformation et de structuration des matériaux. L'étude de ces mécanismes de structuration et, en particulier, de leurs caractéristiques dynamiques, est une clé pour l'optimisation de l'interaction laser-matière suivant de nombreux critères utiles pour les procédés laser : efficacité, précision, qualité. Ce mémoire synthétise les travaux de l'auteur sur l'étude statique et dynamique du dépôt d'énergie ultra rapide, avec application aux procédés laser. La connaissance de la réponse dynamique des matériaux après irradiation laser ultra brève montre que les temps de relaxation pilotent l'interaction lumière-matière. Il est alors possible d'adapter l'énergie déposée à la réponse du matériau en utilisant les toutes récentes techniques de mise en forme spatio temporelle de faisceaux. Un couplage optimal de l'énergie donne la possibilité d'orienter la réponse du matériau vers un résultat recherché, offrant une grande flexibilité de contrôle des procédés et, sans doute, la première étape du développement de procédés « intelligents »